申请日 20200903
公开（公告）日 20201208
IPC分类号 C02F3/28; C02F3/34; C02F101/30; C02F101/16; C02F101/10
摘要
本发明涉及一种同步去除废水中硫酸盐、亚硝酸盐和有机物的装置及方法。装置由下至上依次为进水器、反应器及三相分离器，三相分离器包括集气罩、污泥沉降单元、排气阀、出水口和检查口；反应器一端以布水板与进水器相连接，另一端与污泥沉降单元相连接；布水板上以中心点为圆心，直径0.5‑1.5cm的圆形范围外设置有过水孔；反应器的高径比14:1‑26:1；反应器容积与三相分离器的容积比3:1‑3.5:1；反应器高度与三相分离器高度比7:3‑8:2。本发明通过高径比、布水板和分段驯化实现了功能菌的空间分离，使多种污染物在一个反应器内同步去除；并且反应区不添加填料，保证了单质硫颗粒的高效传输，减少二次污染。
权利要求书
1.一种废水中硫酸盐、亚硝酸盐和有机物的一体式去除装置，由下至上依次为进水器，反应器及三相分离器，反应器设有温控装置，其特征在于，
所述反应器为柱状罐体，所述罐体侧壁的上、中、下部分别设有污泥补充口Ⅰ、污泥补充口Ⅱ、污泥补充口Ⅲ；
所述三相分离器包括集气罩、污泥沉降单元、排气阀、出水口和检查口；所述集气罩和污泥沉降单元上下相对设置；集气罩外侧、污泥沉降单元上部为集水区；所述污泥沉降单元为上大下小的圆筒结构，下部截面直径D1与上部截面直径D2比为3:8-5:12，D1与反应器直径相同；集气罩为上小下大的圆筒结构，上部横截面直径D4与下部横截面直径D3比为2:5-3:10，D4≥D1；集气罩底部外边界与三相分离器内壁的狭缝在水平方向上的宽度D为0.5-2.0cm；
所述反应器一端以布水板与进水器相连接，另一端与污泥沉降单元相连接；所述布水板上以中心点为圆心，直径0.5-1.5cm的圆形范围外设置有过水孔；
所述反应器的高径比为14:1-26:1；反应器容积与三相分离器的容积比为3:1-3.5:1；反应器高度与三相分离器的高度比为7:3-8:2。
2.根据权利要求1所述的一种废水中硫酸盐、亚硝酸盐和有机物的一体式去除装置，其特征在于，所述排气阀设置在三相分离器顶部、集气罩上方；所述检查口位于三相分离器顶部、集水区上方；所述出水口设置在三相分离器侧壁上方。
3.根据权利要求1所述的一种废水中硫酸盐、亚硝酸盐和有机物的一体式去除装置，其特征在于，所述反应器外部缠绕电热丝，反应器内部设有温控探头与加热丝相连，通过温控装置将反应区温度控制在30-35℃。
4.根据权利要求1所述的一种废水中硫酸盐、亚硝酸盐和有机物的一体式去除装置，其特征在于，所述反应器侧壁上与三个污泥补充口相对的位置分别设有反应器检查口，所述反应器检查口直径均为1.5cm-3.0cm，下部的反应器检查口中心点距反应器底部的垂直距离为5-8cm，上部的反应器检查口中心点距顶部法兰的垂直距离为5-8cm。
5.根据权利要求1所述的一种废水中硫酸盐、亚硝酸盐和有机物的一体式去除装置，其特征在于，所述进水器为上大下小的圆筒结构，进水器下部为进水口；所述布水板与进水器内壁夹角为45°-50°。
6.根据权利要求1所述的一种废水中硫酸盐、亚硝酸盐和有机物的一体式去除装置，其特征在于，所述布水板截面为圆形，布水板内径与反应器内径一致；所述过水孔为圆形，过水孔孔径由中心向边缘方向按照三个级别逐渐增大，分别为0.3cm-1.0cm、0.5cm-1.5cm、0.8cm-2.0cm。
7.根据权利要求1所述的一种废水中硫酸盐、亚硝酸盐和有机物的一体式去除装置，其特征在于，所述污泥补充口Ⅰ、污泥补充口Ⅱ、污泥补充口Ⅲ均设有阀门，内径均为1.0-2.0cm。
8.一种废水中硫酸盐、亚硝酸盐和有机物的一体式去除方法，其特征在于，使用权利要求1所述的装置，包括以下步骤：
(1)间歇式进水，驯化硫酸盐还原菌和兼养脱硫反硝化菌：
将厌氧活性污泥分别经污泥补充口Ⅰ、污泥补充口Ⅱ、污泥补充口Ⅲ接种到反应器内，将含有硫酸盐SO42-的有机废水从进水口经过布水板通入反应器内，污泥补充口Ⅱ水平高度以下的区域中，活性污泥微生物将废水中的有机物及SO42-进行分解，转化为二氧化碳气体、甲烷气体和硫化物S2-；3-7天后，将含有S2-和亚硝酸盐NO2-的废水通过污泥补充口Ⅱ通入反应器中，污泥补充口Ⅱ水平高度以上的区域中，活性污泥微生物将废水中的S2-和NO2-进行降解，转化为单质硫S0和氮气N2；二氧化碳气体、甲烷气体和N2与泥水混合物一起进入三相分离器，通过出气阀门排出，泥水混合物中的泥沿集气罩的边壁滑下掉落于污泥沉降单元，再沿污泥沉降单元边壁滑回到反应器内，泥水分离后的含有S0的上清液进入集水区再经出水口排出；当NO2-和SO42-去除率分别达到90％和80％以上时，硫酸盐还原菌和兼养脱硫反硝化菌的驯化完成；
所述废水中有机碳TOC的浓度以C计为200mg/L-300mg/L，SO42-的浓度以S计为100mg/L-300mg/L，NO2-的浓度以N计为120mg/L-200mg/L，S2-的浓度以S计为10mg/L-100mg/L，pH值为7.5-8.0，温度为30℃-35℃，水力停留时间HRT为7-24h，逐步降低HRT，采用间歇进水，每次进水时间为1h，不设置回流装置，进水自下而上流经反应器；
(2)连续进水，增强硫酸盐还原菌和兼养脱硫反硝化菌的降解污染物能力，同时抑制异养反硝化菌作用：
采用连续进水方式，先将含有SO42-、S2-和NO2-的有机废水从进水口经由布水板通入反应器内，与反应器中的活性污泥混合接触，增加进水TOC的浓度且降低S2-的浓度强化硫酸盐还原菌的降解能力，降低进水中NO2-的浓度，抑制反应器下部区域中异养反硝化菌的大量繁殖，废水经由反应器下部区域的微生物处理后，携带剩余有机物、NO2-和大量S2-以及二氧化碳气体、甲烷气体进入反应器上部，高浓度S2-强化了优势菌种兼养脱硫反硝化菌的降解能力；1-3天后，撤掉进水中S2-的添加，进一步增强硫酸盐还原菌的活性；降解产物二氧化碳气体、甲烷气体和N2进入三相分离器，通过排气阀门排出，泥水混合物经过三相分离器后实现分离，活性污泥落回反应器内，上清液经出水口排出；
所述有机废水中TOC为200mg/L-600mg/L，SO42-的浓度以S计为200mg/L-400mg/L，NO2-的浓度以N计为100mg/L-180mg/L，S2-的浓度以S计为0mg/L-20mg/L，pH值为7.5-8.0，温度为30℃-35℃，HRT为21-24h，不设置回流装置，进水自下而上进入反应器。
9.根据权利要求8所述的一种废水硫酸盐、亚硝酸盐和有机物的一体式去除方法，其特征在于：步骤一中所述厌氧活性污泥取自市政污水处理厂的二沉池或压缩池，或者为经过密封隔氧处理后的市政污水处理厂好氧区获取的剩余活性污泥。
10.根据权利要求8所述的一种废水硫酸盐、亚硝酸盐和有机物的一体式去除方法，其特征在于：所述反应器上部中的优势功能菌为兼养脱硫反硝化菌；所述反应器下部中的优势功能菌为硫酸盐还原菌，上下部分连通，下部生成的S2-进入上部经兼养脱硫反硝化菌降解转化。
说明书
一种废水中硫酸盐、亚硝酸盐和有机物的一体式去除装置及 方法
技术领域
本发明涉及一种废水生物脱氮除硫除碳方法，尤其涉及一种同步去除硫酸盐、亚硝酸盐和有机物的装置及方法。
背景技术
抗生素类制药业、石油化工业、精炼厂等诸多工业，因在生产过程中使用含硫、氮的有机原料，会产生大量含有硫酸盐SO42-和亚硝酸盐NO2-的高浓度有机废水，污染物复杂，对自然水体环境造成极大的威胁。废水中氧化态的无机氮主要有硝酸盐NO3-和NO2-，与NO3-相比NO2-对人类健康及自然界的生物更具威胁性，NO2-进入人体后能氧化血红蛋白为高铁血红蛋白，从而破坏血红蛋白的输氧能力，使组织缺氧，若与仲胺类反应则生成具致癌性的亚硝胺类化合物。因此，NO2-的去除更应得到重视。但是，目前的脱氮工艺主要针对NO3-，或者同时处理NO3-和NO2-，单独针对NO2-进行处理的工艺较为少见，NO2-和SO42-同步去除的工艺则更少。废水中高浓度SO42-的排放会造成硫元素失衡，SO42-在厌氧环境下会发生还原反应产生大量硫化物S2-，S2-会与生物染色体中的铁元素发生反应，从而抑制生物体的呼吸过程，当水体中S2-浓度达到10mg/L时，就会对生物产生毒害作用。目前的SO42-处理工艺多是将SO42-还原为S2-，在酸性情况下再将S2-转化为硫化氢H2S气体排空。该种单相工艺虽然实现了废水中的SO42-处理，但是却将硫污染转移到了大气中，二次污染现象十分严重。同时，S2-具有腐蚀性和臭味，处理设备的投资和维护费用均较高。
综上所述，对于高硫高氮废水，传统的生物脱氮技术能完成脱氮的任务，但不能同时有效去除SO42-，因此，通常采用分段处理的方式以达到脱氮除硫的目标。但现存的分段处理工艺存在流程复杂、工艺稳定性差、构筑物占地面积大、废水处理成本高等缺点。因此，为了满足迫切的市场需求和环境保护需要，亟需发明一种高效且节能的装置及方法，可在一个反应器内同时去除SO42-、NO2-和有机物，并且不会大量生成H2S造成二次污染。
发明内容
为解决现有废水脱氮除硫工艺步骤繁杂、占地面积大、工艺稳定性差、处理成本高等问题，本发明提供一种硫酸盐、亚硝酸盐和有机物的一体式脱除装置及方法，利用硫酸盐还原菌与兼养脱硫反硝化菌的协同作用，达到氮、硫、碳污染物高效同步去除且不产生二次污染的目的。
为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种废水中硫酸盐、亚硝酸盐和有机物的一体式去除装置，由下至上依次为进水器，反应器和三相分离器，反应器设有温控装置，所述反应器为柱状罐体，所述罐体侧壁的上、中、下部分别设有污泥补充口Ⅰ、污泥补充口Ⅱ、污泥补充口Ⅲ；
所述三相分离器包括集气罩、排气阀、污泥沉降单元、出水口和检查口；所述集气罩和污泥沉降单元上下相对设置；集气罩外侧、污泥沉降单元上部为集水区；所述污泥沉降单元为上大下小的圆筒结构，下部截面直径D1与上部截面直径D2比为3:8-5:12，D1与反应器直径相同；集气罩为上小下大的圆筒结构，上部横截面直径D4与下部横截面直径D3比为2:5-3:10，D4≥D1；集气罩底部外边界与三相分离器内壁的狭缝在水平方向上的宽度D为0.5-2.0cm；
所述反应器一端以布水板通过法兰结构与进水器相连接，另一端通过法兰结构与污泥沉降单元相连接；所述布水板上以中心点为圆心，直径0.5-1.5cm的圆形范围外设置有过水孔；
所述反应器的高径比为14:1-26:1；反应器容积与三相分离器的容积比为3:1-3.5:1；反应器高度与三相分离器的高度比为7:3-8:2。
上述技术方案中，进一步地，所述排气阀设置在三相分离器顶部、集气罩上方；所述检查口设置在三相分离器顶部、集水区上方；所述出水口设置在三相分离器侧壁上方。
上述技术方案中，进一步地，所述反应器外部缠绕加热丝，反应器内部设有温控探头与加热丝相连，通过温控装置将反应区温度控制在30-35℃。
上述技术方案中，进一步地，所述反应器侧壁上与三个污泥补充口相对的位置分别设有反应器检查口，所述反应器检查口直径均为1.5cm-3.0cm，下部的反应器检查口中心点距反应器底部法兰的垂直距离为5-8cm，上部的反应器检查口中心点距顶部法兰的垂直距离为 5-8cm。
上述技术方案中，进一步地，所述进水器为上大下小的圆筒结构，进水器下部为进水口；所述布水板与进水器内壁夹角为45°-50°。
上述技术方案中，进一步地，所述布水板截面为圆形，布水板内径与反应器内径一致；所述过水孔为圆形，过水孔孔径由中心向边缘方向按照三个级别逐渐增大，分别为0.3cm-1.0cm、0.5cm-1.5cm、0.8cm-2.0cm。
上述技术方案中，进一步地，所述污泥补充口Ⅰ、污泥补充口Ⅱ、污泥补充口Ⅲ均设有阀门，内径均为1.0-2.0cm。
本发明另一方面提供了一种废水中硫酸盐、亚硝酸盐和有机物的一体式去除方法，所述使用前述装置，包括以下步骤：
(1)间歇式进水，驯化硫酸盐还原菌和兼养脱硫反硝化菌：
将厌氧活性污泥分别经污泥补充口Ⅰ、污泥补充口Ⅱ、污泥补充口Ⅲ接种到反应器内，将含有SO42-的有机废水从进水口经过布水板通入反应器内，污泥补充口Ⅱ水平高度以下的区域中，活性污泥微生物将废水中的有机物及SO42-进行分解，转化为二氧化碳气体、甲烷气体和 S2-；3-7天后，将含有S2-和NO2-的废水通过污泥补充口Ⅱ通入反应器中，污泥补充口Ⅱ水平高度以上的区域中，活性污泥微生物将废水中的S2-和NO2-进行降解，转化为单质硫S0和N2；二氧化碳气体、甲烷气体和N2与泥水混合物一起进入三相分离器，通过出气阀门排出，泥水混合物中的泥沿集气罩的边壁滑下掉落于污泥沉降单元，再沿污泥沉降单元边壁滑回到反应器内，泥水分离后的含有S0的上清液进入集水区再经出水口排出；当NO2-和SO42-去除率分别达到90％和80％以上时，硫酸盐还原菌和兼养脱硫反硝化菌的驯化完成；
所述废水中有机碳TOC的浓度以C计为200mg/L-300mg/L，SO42-的浓度以S计为100mg/L-300mg/L，NO2-的浓度以N计为120mg/L-200mg/L，S2-的浓度以S计为 10mg/L-100mg/L，pH值为7.5-8.0，温度为30℃-35℃，水力停留时间HRT为7-24h，逐步降低HRT，采用间歇进水，每次进水时间为1h，不设置回流装置，进水自下而上流经反应器；
优选地，TOC的浓度以C计为200mg/L，SO42-的浓度以S计为200mg/L，NO2-的浓度以N计为120mg/L，S2-的浓度以S计为100mg/L，pH值为7.5，温度为35℃，HRT为21h；
(2)连续进水，增强硫酸盐还原菌和兼养脱硫反硝化菌的降解污染物能力，同时抑制异养反硝化菌作用：
采用连续进水方式，先将含有SO42-、S2-和NO2-的有机废水从进水口经由布水板通入反应器内，与反应器中的污泥混合接触，增加进水TOC的浓度且降低S2-的浓度以强化硫酸盐还原菌的降解能力，降低进水中NO2-的浓度，抑制反应器下部区域中异养反硝化菌的大量繁殖，废水经由反应器下部区域的微生物处理后，携带剩余有机物、NO2-和大量S2-以及二氧化碳气体、甲烷气体进入反应器上部，高浓度S2-强化了优势菌种兼养脱硫反硝化菌的降解能力；1-3 天后，撤掉进水中S2-的添加，进一步增强硫酸盐还原菌的活性；降解产物二氧化碳气体、甲烷气体和N2进入三相分离器，通过出气阀门排出，泥水混合物经过三相分离器后实现分离，活性污泥落回反应器内，含有S0的上清液经出水口排出。
所述有机废水中TOC为200mg/L-600mg/L，SO42-的浓度以S计为200mg/L-400mg/L，NO2-的浓度以N计为100mg/L-180mg/L，S2-的浓度以S计为0mg/L-20mg/L，pH值为7.5-8.0，温度为30℃-35℃，HRT为21-24h，不设置回流装置，进水自下而上进入反应器；
优选地，TOC的浓度以C计为600mg/L，SO42-的浓度以S计为300mg/L，NO2-的浓度以 N计为100mg/L，pH值为7.5，温度为35℃，HRT为21h。
上述技术方案中，进一步地，步骤(1)中所述厌氧活性污泥取自市政污水处理厂的二沉池或压缩池，或者为经过密封隔氧处理后的市政污水处理厂好氧区获取的剩余活性污泥。
上述技术方案中，进一步地，所述反应器上部区域优势功能菌为兼养脱硫反硝化菌；所述反应器下部区域优势功能菌为硫酸盐还原菌，上下部分连通，下部生成的S2-进入上部经兼养脱硫反硝化菌降解转化。第一阶段底部进水中的底物仅为SO42-和有机物，利于硫酸盐还原菌的生长繁殖而不利于其他种菌的生长，因此在底物消耗的过程中硫酸盐还原菌成为下部反应器中的功能菌；类似的，上部进水中的底物仅为S2-和NO2-，利于兼养脱硫反硝化菌的生长繁殖而不利于其他种菌的生长，因此，兼养脱硫反硝化菌成为上部反应器中的功能菌；反应器上下部分连通，后续第二阶段合并进水后，其中的SO42-经硫酸盐还原菌还原后生成的产物 S2-可无阻碍地进入反应器上部与兼养脱硫反硝化菌接触从而被降解。
本发明采用一体式工艺，同步去除废水中SO42-、NO2-和有机物等多种污染物。通过对系统内的活性污泥的定向驯化与强化，建立一个反应区下部分利于硫酸盐还原菌、上部分利于兼养脱硫反硝化菌生长的反应系统。即SO42-在有机碳存在的条件下，主要在反应器的下半部被硫酸盐还原菌还原为S2-，具体工艺原理见式(1)。而下部分生成的大量S2-又可以作为反应器上半部分中脱硫反硝化反应的电子供体，被不完全氧化为S0，同时NO2-作为电子受体，被还原为N2，具体原理详见式(2)。在这个协同代谢的过程中，通过反应器高径比、进水位置、进水浓度、配水方式等操作条件的优化，将SO42-和NO2-最终转化为S0和N2，S0可以回收再利用，而N2无污染直接排空，在同步脱硫和除氮的同时降低了产物产生二次污染的风险。
有机物存在条件下也会发生式(3)所示的异养反硝化反应，异养反硝化菌与硫酸盐还原菌竞争有机底物不利于目标功能菌的增殖。同时，如果操作条件控制不当，会发生一定程度的副反应式(4)，生成的S0将继续被NO2-氧化产生SO42-，降低系统中SO42-的最终去除率。因此，在第二阶段中需降低进水NO2-浓度并提高SO42-浓度，底物NO2-不足会抑制异养反硝化菌的生长，以保证硫酸盐还原菌的代谢能力，从而使得反应区下部能够生成足够的S2-进入反应区上部，供给兼养脱硫反硝化菌作为电子供体，避免了S0电子的流失，增加了S0的产率。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的装置及方法，能够同时去除废水中SO42-、NO2-和有机物，NO2-、SO42-和TOC去除率分别达到99％、80％和80％以上，使其最终转化为对环境无害的N2和S0，实现以废治废，具有较高的环境和经济效益，并且在NO2-和SO42-去除率分别达到99％、80％以上的同时，S2-生成率位于10％以下，降低了二次污染的风险。
本发明不需添加填料，保证较大的液体传输通量，防止反应生成的单质硫颗粒S0被填料阻隔于反应区内，S0可随出水顺利排出，避免S0被完全氧化，提高了S0的产率，产率保持在 80％以上，利于含硫污染物的彻底去除，不产生二次污染，也利于后续S0的高效回收与资源化。
本发明装置构造简单，占地面积小，并且三相分离器中集气罩、污泥沉降单元的结构避免功能性污泥的大量流失；布水板以中心点为圆心的一定圆形范围外才设置过水孔且过水孔的直径沿径向向外逐渐增大的结构，可以避免反应器内因纵向中轴线上流速过大而出现短流，并且防止反应器边壁处因流速太小而导致的传质不均匀；反应器采用大的高径比，利于进水中的底物在行进过程中被逐步利用，从而满足不同种类的功能菌对底物的不同要求，避免了各种功能菌因竞争生存资源而导致的处理效能降低，促进多种底物的协同降解，保证工艺的稳定运行。
本发明方法采用两阶段式进水，结合本发明装置为硫酸盐还原菌和兼养脱硫反硝化菌的生长创造最佳环境，实现不同功能菌的空间分离，更好地发挥功能菌群的作用并抑制了其他菌群的生长；第一阶段分别在反应器的上、下部分提供适当的底物，驯化硫酸盐还原菌和兼养脱硫反硝化菌，使其在不同部位分别成为优势菌群，第二阶段不同的底物同时进入反应器但浓度上有所增减，强化硫酸盐还原菌和兼养脱硫反硝化菌的活性并抑制异养反硝化菌，保证了反应系统内不同种类功能菌的快速成长与空间分离。
发明人 （李巍;梁霄;）